Conectividade além da Terra: Redes NTN

Introdução 

Os sistemas de comunicação sem fio que operam acima da superfície da Terra através de satélites ou plataformas de alta altitude (HAPS – High Altitude Platform Station) são chamados de Redes de Comunicação Não Terrestres (NTN – Non Terrestrial Network). O surgimento dessa arquitetura de rede permite que a comunicação celular se expanda além dos limites terrestres tradicionais. Essa expansão viabiliza novas implantações de IoT em regiões anteriormente consideradas inacessíveis do ponto de vista físico ou comercial. 

O que é a comunicação NTN? 

A comunicação NTN (Non-Terrestrial Networks) representa uma revolução na conectividade global. Imagine poder acessar a internet e se comunicar em qualquer lugar do planeta, mesmo nos pontos mais remotos e isolados. Essa é a promessa da NTN, que utiliza satélites em diferentes órbitas – LEO (Low Earth Orbit), MEO (Medium Earth Orbit) e GEO (Geostationary Earth Orbit) – para levar a comunicação para além dos limites das redes terrestres. 

A padronização da NTN pelo 3GPP começou na Release 17, que foi concluída em 2022. Essa atualização introduziu novos recursos para suporte à conectividade via satélite em protocolos 3GPP, tanto para banda larga quanto para IoT (Internet das Coisas). Com a Release 17, o 3GPP implementou melhorias específicas para o uso de NB-IoT e LTE-M em redes NTN, possibilitando comunicações IoT em áreas remotas usando satélites. 

Redes NTN desempenham um papel fundamental na expansão de serviços de comunicação para áreas onde a infraestrutura terrestre é limitada ou inexistente. Além de serem essenciais para serviços críticos em regiões remotas, também são vantajosas para setores como agricultura, mineração, transporte marítimo e monitoramento ambiental, proporcionando conectividade em locais onde a infraestrutura convencional não consegue alcançar. 

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Especificações e Desafios Técnicos 

A rede NTN pode operar em diversas frequências definidas pelo 3GPP. Essas bandas estão definidas na tabela a seguir. 

Cada tipo de órbita apresenta desafios técnicos específicos para garantir uma comunicação de dados com qualidade. 

Órbita Geoestacionária (GEO) 

Satélites em GEO, localizados a aproximadamente 36.000 km da Terra, cobrem áreas muito extensas, permitindo que poucos satélites sejam necessários para fornecer cobertura global. No entanto, isso exige que os equipamentos dos clientes utilizem maior potência de transmissão e modulações mais robustas, além de antenas de alto ganho. Consequentemente, esses dispositivos se tornam mais complexos, mais caros e menos eficientes energeticamente. Além disso, as aplicações que utilizam GEO precisam ser tolerantes à alta latência, que pode chegar a centenas de milissegundos. 

Órbitas Médias (MEO) 

Satélites em MEO, como os usados nos sistemas de GPS, oferecem um compromisso intermediário entre latência e efeitos de Doppler em comparação aos satélites em GEO e LEO. No entanto, o custo elevado para enviar satélites a essa órbita torna essa solução menos viável comercialmente para aplicações de IoT. 

Órbitas Baixas (LEO) 

Satélites em LEO, localizados a altitudes de até 2.000 km, possuem características opostas aos de GEO. Eles apresentam latência significativamente menor (na ordem de dezenas de milissegundos) e menores níveis de atenuação de sinal. Além disso, o custo de lançamento de satélites em LEO é atualmente muito mais baixo, já que a maioria dos satélites lançados nos últimos anos está nessa órbita. 

Essas diferenças de características tornam as soluções baseadas em LEO particularmente atraentes para aplicações IoT, especialmente aquelas que demandam baixa latência e eficiência energética. Por outro lado, o uso de GEO continua relevante para aplicações tolerantes à latência e que demandam ampla cobertura. 

Abaixo segue tabela com as características de cada órbita.  

Módulos NTN 

Os módulos NTN (Non-Terrestrial Network) são componentes essenciais para possibilitar a comunicação via satélite em dispositivos IoT. Os principais fabricantes de módulos de comunicação do mundo já desenvolveram soluções específicas para esta tecnologia, incorporando suporte para NB-IoT em redes não terrestres. 

Estes módulos são projetados para operar em condições desafiadoras, considerando as características da comunicação via satélite, como maior latência, efeito Doppler e atenuação significativa do sinal.  

A tabela a seguir apresenta os principais módulos NTN disponíveis no mercado: 

Provedores de Serviço 

Atualmente, o principal provedor de serviços NTN no Brasil é a Skylo, que oferece conectividade via satélite geoestacionário na banda L. A empresa tem realizado parcerias estratégicas para expandir sua cobertura no território nacional. 

Abaixo segue tabela com os principais provedores de serviço NTN no âmbito global.

Casos de uso 

Agricultura de precisão 

• Monitoramento remoto de irrigação e umidade do solo em áreas extensas 
• Rastreamento de maquinário agrícola em locais sem cobertura celular tradicional 
• Coleta de dados meteorológicos em tempo real para tomada de decisões 
• Monitoramento de silos e armazéns em locais isolados
• Controle automatizado de sistemas de irrigação em áreas remotas 
• Rastreamento de rebanho em grandes propriedades rurais 
• Monitoramento da saúde de culturas através de sensores distribuídos pela plantação 

Aplicações críticas em áreas remotas 

• Monitoramento e controle de sistemas de distribuição de água em locais isolados, permitindo a gestão eficiente de reservatórios e poços artesianos 
• Supervisão de torres de transmissão de energia em áreas de difícil acesso, possibilitando a detecção precoce de falhas 
• Monitoramento de barragens em locais remotos, com sensores para medição de pressão e níveis de água 
• Controle de oleodutos e gasodutos em áreas sem cobertura terrestre, permitindo a detecção de vazamentos e anomalias 
• Sistemas de alerta para desastres naturais em regiões isoladas, como detecção de incêndios florestais e deslizamentos 
• Monitoramento de estações meteorológicas em locais de difícil acesso para previsão do tempo e alertas climáticos 
• Controle de qualidade da água em reservas ambientais e áreas de preservação distantes dos centros urbanos 

Rastreamento global de ativos 

• Rastreamento de contêineres marítimos, aeronaves e veículos terrestres em trânsito por rotas internacionais, garantindo visibilidade em tempo real mesmo em regiões oceânicas ou desérticas. 
• Monitoramento de veículos comerciais, navios e outros ativos móveis para otimização de rotas, segurança e manutenção preventiva. 
• Controle de equipamentos pesados e ativos em locais remotos, como minas e plataformas de petróleo, para aumentar a eficiência operacional e a segurança. 
• Monitoramento de equipamentos críticos, como turbinas eólicas e solares, em parques energéticos remotos, bem como rastreamento de ferramentas e suprimentos essenciais. 
• Localização de equipamentos de resgate, suprimentos médicos e recursos logísticos durante operações de resposta em zonas afetadas por catástrofes naturais. 
• Supervisão de medicamentos, alimentos perecíveis e outros produtos que requerem controle de temperatura e condições específicas durante o transporte. 

Serviços de emergência 

• Comunicação em áreas isoladas, permitindo envio de mensagens de socorro sem cobertura celular. O serviço de mensagens via satélite em iPhones, fruto da parceria Apple-Globalstar, permite o envio de pedidos de socorro em locais sem rede terrestre, reforçando a segurança em situações críticas.
• Coordenação de equipes de resgate em desastres naturais, como terremotos e incêndios florestais 
• Suporte a aventureiros em trilhas, montanhas ou alto-mar, com mensagens de emergência via satélite 
• Rastreamento de veículos e drones em operações de busca e salvamento 

Implementação no Brasil 

As redes NTN (Non-Terrestrial Network) estão ganhando espaço no Brasil como uma solução inovadora para expandir a conectividade em áreas remotas. Um marco importante no desenvolvimento desta tecnologia no país foram os testes realizados pelo Instituto Eldorado, em Campinas, que conduziu experimentos em colaboração com empresas líderes do setor  Telit, Qualcomm e Skylo. Durante estes testes, foi utilizado o módulo ME910G1-NTN, resultando em uma demonstração bem-sucedida da tecnologia NB-IoT sobre NTN. 

Os resultados dos testes demonstraram a viabilidade técnica e comercial da tecnologia NTN para aplicações IoT em áreas remotas do Brasil, especialmente em setores como agricultura, mineração e monitoramento ambiental. 

Fonte: Linkedin

Sobre regulamentação específica para serviços NTN, a Anatel está realizando consultas públicas para estabelecer novas regras para aplicações em redes 4G, 5G e IoTs móveis por satélite em banda estreita.  

Fonte: Anatel abre consulta de novas regras para ETA com aplicações em redes 4G e 5G e para IoTs móveis por satélite em banda estreita — Agência Nacional de Telecomunicações 

A tecnologia NTN apresenta-se como uma solução promissora para expandir a conectividade IoT em áreas remotas do Brasil, especialmente onde a infraestrutura terrestre tradicional é limitada ou inexistente.